FPGA 简介

什么是 FPGA

FPGA 的全称为 Field-Programmable Gate Array，即 现场可编程门阵列。FPGA 是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路出现。它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。简单来说，FPGA 就是一个可以通过编程来改变内部结构的芯片。

FPGA 功能实现：FPGA 的功能需要通过编程来实现，通常使用硬件描述语言（HDL）编写逻辑代码，经过 EDA 工具（电子设计自动化工具）编译、综合、布局布线后，生成可烧录的文件，最后将该文件加载到 FPGA 器件中，从而改变 FPGA 内部的连接，实现所需的功能。

FPGA 性能对比：与 单片机 和 CPU 等集成电路芯片相比，FPGA 拥有更高的效率和更低的功耗，但其开发难度和易用性远低于单片机和 CPU。虽然 FPGA 在数字芯片设计中相较 ASIC（专用集成电路）具有更短的开发周期，但其成本较高、性能相对较差，且资源利用率不如 ASIC。因此，FPGA 不能完全替代 ASIC。

FPGA 的基本结构

FPGA 的可编程特性决定了它的数字逻辑实现结构不能像专用的 ASIC 那样通过固定的逻辑门电路来完成，而是采用可以重复配置的结构来实现。当前主流的 FPGA 芯片大多基于 SRAM 工艺的查找表结构（LUT）。

FPGA 芯片参数：包括可编程逻辑模块的数量、固定功能逻辑模块（如乘法器）的数目以及存储器资源（如嵌入式 RAM）的大小。

在 FPGA 的最底层可配置逻辑模块（如片上的逻辑单元）中，主要包含两种基本部件：触发器 和 查找表（LUT）。查找表用于实现数字逻辑功能，通过查找预先存储在 RAM 中的真值表来进行运算。LUT 本质上是一个 RAM，例如 4 输入的 LUT 可以看成一个有 4 位地址线的 RAM。

更为复杂的 FPGA 架构

随着技术的发展，FPGA 的容量和性能不断提升，同时功耗也在不断优化。在高端器件中，可能会使用 六输入、八输入 或更多输入端口的查找表。多输入的查找表可以分解成多个较小输入的查找表，从而提高资源的利用效率。

FPGA 内部通过软内核与硬内核的结合来实现不同功能。软内核是通过编程来实现的灵活功能，而硬内核则是通过硬件实现的固定功能，具有较高的资源利用率、低功耗和更小的占用面积。

带嵌入式处理器的 FPGA

现代 FPGA 还能够通过可编程构造来实现嵌入式处理器内核。例如，一些 FPGA 可以完全以硬内核方式实现双路 ARM Cortex-A9 微控制器子系统，运行时钟高达 1GHz，内建浮点引擎、片上缓存、计数器和定时器等功能，并具有广泛的硬内核接口，如 SPI、I2C 和 CAN 等。

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这种嵌入式处理器的实现使得 FPGA 具备了强大的计算能力，并能够支持高效的系统级应用。

数据存储以及配置方式

FPGA 内部拥有存储单元，如片内 RAM 块，用于存储数据并设置工作状态。为了使 FPGA 工作，必须将数据烧录到 FPGA 内部的 RAM。根据不同的配置模式，FPGA 可以通过多种方式进行编程：

  • 并行模式：通过并行 PROM 或 Flash 配置 FPGA。

  • 主从模式：使用一片 PROM 配置多个 FPGA。

  • 串行模式：通过串行 PROM 配置 FPGA。

  • 外设模式：将 FPGA 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

主流 FPGA 通常基于 SRAM 工艺，并采用 串行配置模式。由于 SRAM 掉电后会丢失数据，因此通常会连接外部存储器（如 SDRAM 或 DDR3）来保存程序。每次上电时，FPGA 会从外部存储器中读取数据进行配置。